Как «законсервировать» дождевую воду?

Рациональное использование осадков в устойчивой богарной агроэкосистеме поможет защитить почву от эрозии

Авторы:
Гарри Петерсон, Двейн ВестфолМинистерство почвоведения и полеводства, университет штата Колорадо, США

Богарное земледелие на Великих равнинах Северной Америки прежде зависело от производства пшеницы в агроэкосистеме пшеница-пар. Исторически эта система использовала механические методы борьбы с сорняком в течение парового периода, что по сути не оставляет пожнивных остатков для защиты почвы от эрозии и значительно ускоряет органическое углеродное окисление почвы. Эта статья рассматривает прогресс, достигнутый в рациональном использовании осадков на Великих равнинах и синтезирует данные проводимого долгосрочного эксперимента, чтобы продемонстрировать задействованные принципы организации производства.

Эксперимент на богаре

Долгосрочный эксперимент начали в 1985 году, чтобы обнаружить систему возделывания культур и обработки почвы в засушливых условиях, способную повысить эффективность использования осадков (увеличение производства биомассы на единицу полученных осадков), улучшить продуктивность почвы и увеличить экономическую отдачу. В планы ученых входило также сокращение периода летнего пара и предотвращение деградации почвы, наблюдавшейся в севообороте пшеница-пар.

Эксперимент включил четыре переменные:

1) климат;
2) почвы;
3) севообороты;
4) время.

Переменная почвы представлена катенарной последовательностью (последовательным изменением уровня высоты) почв на каждом участке.

Севообороты (третья переменная) отличаются количеством времени летнего пара и акцентируют внимание на увеличении разнообразия культур. Во всех ротациях использовалась система No­till.

Четвертой переменной является время. Результаты, представленные в этой статье, охватывают первые 12 лет (3 цикла 4­польного севооборота). Выведение средней урожайности в севооборотах, отличающихся продолжительностью цикла, и севооборотов, которые содержат паровой период, когда никакой посев не произведен, осуществляется с помощью метода «annualisation». Среднегодовой показатель урожайности выводится суммированием урожая всех культур в севообороте и делением на общее число лет в цикле.

Предварительно сообщим, что интенсификация севооборота повышала годовой показатель урожайности зерновых и количество растительных остатков с 75% до 100% по сравнению с севооборотом пшеница-пар. Чистый доход фермеров возрастал с 25% до 45% в сравнении с вариантом пшеница-пар. Содержание органики C в почве увеличилось с 875 до 1400 кг/гa, соответственно, после 12 лет эксперимента. Процессы в севооборотах не зависели от климатических и почвенных градиентов, а это означает, что потенциал для секвестрации органики существует во всех комбинациях климатов и почв. Увеличение органики в почве находилось в прямой зависимости от количества C в запаханных растительных остатках. Улучшение макроагрегации почвы также было связано с увеличением содержания C в ее агрегатах. Насыпная плотность почвы уменьшилась на 0,01 г/cм³ на каждые 1000 кг/гa добавки пожнивных остатков, а каждые 1000 кг/га добавки пожнивных остатков повысили эффективную пористость на 0,3 %.

Метод No­till способствовал тому, что предпочтение отдавалось расширенному севообороту, а не традиционному пшеница-пар, что в свою очередь увеличивало эффективность использования воды на 30%. Интенсификация севооборота также обеспечила позитивную обратную связь при восстановлении продуктивности почвы через возврат в нее повышенного количества растительных остатков.

Эффективное использование осадков является основным вопросом для поддержания стабильного богарного земледелия. Выбор системы обработки почвы и культур – принципиальный инструмент, способный управлять осадками. Эффективно использовать осадки помогает максимизация их поглощения почвой, сведение к минимуму потерь запасов почвенной влаги и к максимуму – коэффициента полезного водоиспользования (WUE):

WUE (эффективное использование влаги) = урожайность культур/(полученные осадки + поглощение влаги в период выращивания культур).

Главным инструментом для увеличения поглощения влаги и уменьшения ее потерь является минимизация обработки почвы или ее полное исключение. Выбор обработки почвы, включая тип и чередование во времени, влияет на количество растительных остатков, оставленных на поверхности почвы, и размер пор почвы, подверженных воздействию атмосферных явлений. Связь между климатом и системой обработки крайне необходима для эффективного управления осадками. Эффективное использование влаги также управляется выбором культур, сроками посева, применением удобрений и т. п.

Особенности осадков и температур

На Великих равнинах Северной Америки потенциальное испарение превышает осадки в течение большинства месяцев года, что значительно влияет на усвоение влаги, водоудержание и эффективность использования влаги культурными растениями. Около 75% годовых осадков выпадает с апреля по сентябрь включительно и сопровождается высокими температурами (рис. 1) и низкой относительной влажностью. Отметим, что открытое поверхностное испарение тесно связано со средней температурой воздуха (рис. 2), и что потенциал потери осадков из почвы высокий. Чтобы проиллюстрировать различия, существующие в богарных агроэкосистемах мира, на рисунках 3 и 4 приведены примеры контраста между умеренным климатом Великих равнин и двумя типами Средиземноморского климата (Морокко и Орегон США). И Морокко, и Орегон расположены в зоне средиземноморского климата и получают осадки в самые холодные месяцы года. Следовательно, потери влаги при испарении в период выпадения осадков здесь незначительны. При этом температура воздуха в течение зимнего периода выпадения осадков в Морокко на 8­10°C выше, чем в Орегоне. Следовательно, возможности поглощения влаги и ее удержания отличаются. Очевидно, что распределение осадков в зависимости от вегетационного периода и потенциала испарения диктует выбор культур, их последовательность, и требует эффективных методов сохранения влаги в любом климате.

Фактор традиций

Богарное земледелие на Великих равнинах развивалось в контексте производства пшеницы в агро­экосистеме пшеница-пар. Практиковался севооборот пшеница-пар, чтобы уменьшать риск гибели посева (Peterson. et аl., 1996). Почвенная влага, сохраненная в течение парового периода, увеличивает вероятность успешного посева пшеницы. Яровая пшеница на Северных равнинах высевается в конце весны с поздним летним урожаем. Последующий паровой период отличается продолжительностью 18­21 месяц в зависимости от точных сроков посева и уборки урожая. Фактическое время произрастания пшеницы в поле – от 3 до 6 месяцев из 24­месячного цикла. На Центральных и Южных равнинах выращивается озимая пшеница, которая находится в поле примерно 10 месяцев из 24­месячного цикла. Контролировать сорняки в течение парового периода крайне необходимо, поскольку максимальный запас влаги сохраняется только на незасоренных полях. До появления гербицидов единственно возможным способом в борьбе с сорняком была механическая обработка, которая обычно оставляла поверхность почвы голой. Летний пар стал жизненно важным для фермеров на Больших равнинах в засушливые 30­е годы прошлого века. Повышенные цены военного времени, более мощные механизмы усовершенствованных тракторов и орудий обработки облегчали контролирование сорняка в паровой период (Greb, 1979). Согласно Haas и др. (1974) в США более чем 6,1 млн га земель находились под паром. Greb (1979) проследил хронологию прогресса в севообороте озимая пшеница-пар с начала 1900 года до 1977­го, а затем спрогнозировал его развитие до 1990­го. Изменения с 1916 года в системах паровой обработки способствовали увеличению запаса воды, эффективности пара (% осадков во время пара, сохраненных в виде почвенной влаги), урожая озимой пшеницы и эффективности использования осадков (PUE) (табл.1). Когда тип механической обработки изменился, количество операций обработки за паровой период уменьшилось, а количество растительных остатков, остающихся на поверхности почвы, увеличилось. PUE удвоилось с 1916 по 1975 год, увеличившись от 1,22 до 2,78 кг пшеницы с га на мм. Это произошло в основном благодаря повышению эффективности накопления почвенной влаги в период пара, которая возросла с 19 до 33% за один и тот же период времени. Greb (1979) предсказывал, что паровая эффективность должна увеличиться до 40% к 1990 году, что в результате скажется на эффективности использования осадков (PUE) 3,25 кг гa­1 на мм­1.

Механизмы, которые способствовали повышению эффективности системы паровой обработки и PUE, – это совокупность взаимодействующих факторов. А именно: (1) задержка пожнивными остатками удара дождевой капли, что помогает сохранить скорость инфильтрации; (2) уменьшение интенсивности испарения на первой стадии за счет более низких температур почвы под пожнивными остатками; (3) сокращение возможности для стимуляции испарения благодаря меньшему количеству обработок почвы; (4) уменьшение скорости ветра на поверхности почвы благодаря защите из растительных остатков; (5) усовершенствование методов внесения удобрений; (6) разнообразие методов борьбы с сорняками; (7) улучшение полукарликовых сортов пшеницы; (8) более своевременные операции обработки пара благодаря большим мощностям тракторов и более совершенному оборудованию (Peterson и др., 1996). Не единственный фактор изменил систему, а взаимодействие всех факторов помогли достичь абсолютно положительных результатов.

Потенциал запаса воды в почве под паром

Greb (1979) предсказал повышение эффективности накопления влаги во время пара благодаря улучшенному использованию пожнивных остатков и применению методов No­till. К сожалению, мы не сумели улучшить эффективность накопления влаги до 35%, чего добился Greb в начале 1970­х. Эффективность пара по данным 1980­1990­х годов составляет в основном менее чем 42%, независимо от климатической зоны, где эти данные были собраны (табл. 2). Диапазон эффективности по сообщениям McGee и др. (1997) в Колорадо при No­till ничтожно мал: 17­28%. Был представлен широкий диапазон комбинаций климатов и почв, но оказалось, что сложно улучшить показатели эффективности с применением существующих технологий обработки пара.

_

_

Эффективность использования влаги во время пара была одинаково низкой в северных климатических условиях Канады и Северной Дакоты, несмотря на более низкий потенциал испарения в данной местности. Значительно более длинный паровой период в 21 месяц для севооборота яровая пшеница-пар по сравнению с 14 месяцами для севооборота озимая пшеница-пар также приводит к снижению эффективности в климатических условиях с более низким уровнем испарения. Greb и др. (1967) и Unger (1978) продемонстрировали, что пожнивные остатки на поверхности почвы существенно увеличивают запас воды во время пара. Но возникает необходимость размещения пожнивных остатков не менее 6,7 т/га, чтобы достичь эффективности пара более 35­40%. На Великих равнинах количество послеуборочных остатков пшеницы, максимально накапливающихся после уборки, обычно колеблется в пределах от 2,2 до 5,6 т/га. С благоприятными осадками можно достичь 7,8 т/га, а на почвах, которые получают сточную воду с окрестных холмов, – даже 10,1 т/га, но последнее случается крайне редко. Поиск изменений систем обработки почвы, которые способны улучшить эффективность накопления воды, также кажется тщетным. В конечном счете, количество пожнивных остатков уменьшается из­за вспашки и, следовательно, приводит к снижению их эффективности. Кроме того, обработка непосредственно воздействует на накопление влаги, оказывая влияние на пространство макропор и ускоряя испарение. Пахота может образовывать макропоры на поверхности почвы, что улучшает поглощение влаги, но одновременно увеличивает ее потери из­за испарения. К тому же, система пшеница-пар с летней паровой обработкой для контроля сорняков на длительное время оставляет почву в состоянии крайне уязвимом по отношению к ветровой и водной эрозии из­за недостатка покрытия. Частая механическая обработка, связанная с запашкой незначительного количества растительных остатков в почву, также ускорила окисление почвенной органики С. Поскольку почвы Великих равнин имели низкое изначальное количество органики C, то прочность структуры почвы и ее устойчивость также снизились. В конечном результате – уменьшился потенциал инфильтрации воды, снизив эффективность накопления влаги.

Взаимосвязь систем обработки и аккумулирования влаги

Оказалось, системы обработки пара не могут быть значительно улучшены выше уровней, приведенных в табл. 2, даже с No­till, поскольку количество производимых пожнивных остатков слишком незначительно, чтобы способствовать дальнейшему сокращению показателей суммарного испарения. Следовательно, нужен другой метод для повышения PUE. Наша задача – увеличить поглощение влаги, одновременно сократив время накопления ее в почве, а также выбрать виды растений и севооборотов, которые используют воду более эффективно.

Эффективность поглощения воды и ее накопления обычно самая высокая, когда поверхность почвы сухая и находится в восприимчивом состоянии для дождевых осадков. Во время сбора урожая пшеницы на Великих равнинах (июль) почвы часто находятся на нулевой отметке по содержанию влаги, доступной для растений, и быстро впитывают воду. На этом этапе севооборота максимальное количество пожнивных остатков находится на поверхности; таким образом почвы очень восприимчивы к водной инфильтрации.

Smika & Wicks (1968) сообщили, что гербицидный контроль сорняков и уменьшение обработки почвы существенно улучшали запас влаги в начале парового периода в севообороте с озимой пшеницей. Стандартные методы обработки почвы с помощью плуга не запасали влагу в начале парового периода. Минимальная же система обработки сохранила 12% осадков, а применение исключительно методов No­till повысило эффективность накопления влаги до 24%. К весне следующего года (8 месяцев в 14­месячном паровом периоде) обработка плугом позволила сохранить только 16% осадков (56 мм воды), тогда как минимальная и нулевая системы – 40% (140 мм воды) и 60% (210 мм воды) соответственно. Очевидно, когда вода накапливается в начале парового сезона, ее запас становится менее эффективным в конце парового периода. Согласно наблюдениям Haas & Willis (1962), и в севообороте яровая пшеница-пар после 1 июля обнаруживается незначительное количество воды или ее отсутствие во время летнего пара. Эти данные указывают на возможность завершения парового периода с применением метода No­till или сокращением количества обработок до 1 июля и посева яровых культур, чтобы скорее использовать воду через транспирацию, а не терять ее в испарение.

Методы обработки почвы, способствующие быстрому поглощению воды и ее удержанию после уборки урожая пшеницы и в течение зимнего и весеннего периодов, обычно сказываются на влажной поверхности почв, близких к состоянию нормальной влагоемкости к маю. Если дождевые осадки выпадают в течение летнего периода, значительно замедленная скорость инфильтрации позволяет воде оставаться на поверхности почвы на фоне No­till на более длительный срок по сравнению с условиями вспашки. Высокие температуры в конце парового периода с июля в сентябрь, вместе с дефицитом высокого давления воздуха, ускоряют испарение и сводят поглощение осадков к минимуму. На участках земли с уклоном поверхностный сток повышен за счет плотности поверхности почвы, а поглощение воды уменьшено даже больше, чем на ровной поверхности (Jones и др., 1994).

В стандартном севообороте озимая пшеница-пар, где сорняки не контролируются после уборки урожая и/или вспашка используется для борьбы с сорняками, содержание почвенной влаги весной значительно ниже, а потенциал накопления воды с мая по сентябрь выше, чем с No­till. Поскольку эти почвы многократно подвергались механической обработке для контроля сорняка в течение парового периода, они имеют больше пространства макропор на своей поверхностности и проникновение воды не задерживается. А любой запас воды, содержащийся в пахотном слое, обычно быстро испаряется, поскольку механическая обработка, применяемая для контроля сорняков, ускоряет испарение, оставляя влажную почву незащищенной в самый жаркий период года.

Сообщения Black и Power (1965), Deibert и др. (1986), Norwood (1994) обосновали эффективность накопления воды на фоне No­till в конце летнего парового периода, независимо от того, какая пшеница выращивалась – озимая или яровая. В ранних исследованиях системы No­till Black и Power (1965), работая с севооборотом яровая пшеница-пар, обнаружили, что эффективность накопления влаги во время пара с момента сбора урожая до следующего мая месяца составляла 66%, с мая по сентябрь – 9% и с сентября до посева следующей весной – 19%.

Deibert и др. (1986), работая с системами яровая пшеница-пар, сообщали, что эффективность накопления влаги в начале пара составляла 56­59% (от 90 до 125 мм запаса воды), но только 26­36% после полного 21­месячного парового периода (от 112 до 117 мм воды). Norwood (1994) в Канзасе сообщал об эффективности 46% за 11­месячный период от сбора урожая озимой пшеницы до посева ярового сорго (175 мм запаса воды). У Norwood система пшеница-пар за весь 14­месячный паровой период была эффективной на 23% (137 мм запаса воды). Наблюдались потери воды 38 мм в конце парового периода. Длительный паровой период, оказывается, уменьшает запас воды в большинстве примеров.

(Продолжение читайте в следующем номере журнала «ЗЕРНО»)
(Опубликовано в №11, 2008 г.)